- 頭條基于分布式控制原理的電池儲能系統二次調頻控制2021-05-12 作者：張圣祺 袁蓓 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語東南大學電氣工程學院的研究人員張圣祺、袁蓓、季振東、魏曉婧、趙劍鋒，在2019年《電工技術學報》增刊2上撰文，提出一種考慮分布式BESS參與的二次調頻控制策略。該控制策略能夠充分利用BESS和傳統機組的調頻特征，確定各自的動作時機和動作深度，提高區域電網調頻效果。
近年來，我國逐步建成“五縱五橫”的特高壓輸電網絡，連接西北新能源發電中心與東南用電中心。江蘇電網作為特高壓受端，面臨并網發電機組數量下降，新能源滲透率提高，電力系統慣性下降，調頻容量不足的問題。其中，由于電池儲能（Battery Energy Storage System, BESS）具有響應速度快、控制精度高、投切靈活性強、不受地域限制等優勢，利用BESS參與電網調頻成為上述問題的解決方案之一，受到廣泛關注。
隨著電池技術的發展及建設成本的下降，未來電網側和用戶側將會存在大量分布式BESS，這將成為電網調頻功率容量的重要來源。較傳統機組，BESS在二次調頻中具有爬坡速率快，但是受容量限制的特點。所以，如何協調傳統機組和不同種類、性能的分布式BESS，精確調度其動作時機和動作深度，發揮BESS爬坡速率快和傳統電機不受容量限制的優勢，成為現階段考慮分布式BESS參與二次調頻控制研究中需要解決的問題。
部分專家學者針對相關問題進行了深入研究。有學者根據事先約定的比例在電池儲能和傳統機組之間靜態分配調頻責任。有學者提出一種基于傳統機組和BESS最大可用調頻容量的動態系數分配方案，構建了BESS中荷電狀態（State of Charge, SOC）的保持效果評價指標，但管理效果仍有改進空間。
總體而言，以上控制策略延續了傳統二次調頻控制的基本思路，沒有充分考慮傳統機組與BESS調頻特性的區別，易過度利用BESS，導致其SOC過低而退出運行序列，甚至造成電網頻率的二次跌落。
為了發揮BESS響應迅速的調頻特點，有學者提出了按系統二次調頻信號的頻域特征進行分配調頻責任的控制策略。有學者通過離散傅里葉變化，將調頻信號分解為高頻和低頻分量，并分別指派給BESS和傳統機組。有學者在研究BESS對儲能資源容量需求的基礎上，對實際系統全天和每小時內的高頻分量占比進行了定量分析，并將調頻需求的高頻分量指派給BESS承擔。
然而，以上這些控制策略中都沒有明確指出高頻和低頻的劃分依據，也缺乏對SOC的有效管理，無法保證BESS在調頻中運行的可持續性。
另外，以上考慮BESS參與的二次調頻控制策略都是基于集中控制原理，即調度中心需要和每個BESS建立通信，并采集大量狀態信息，通過集中運算下達調頻控制指令。然而，面對大量分布式BESS的參與，若仍采用集中式控制，調度中心將面臨巨大的運算和通信壓力。
目前，能夠充分考慮分布BESS調頻特征，提出電網二次調頻控制策略的相關文獻較少。參考對智能電網、微網的有功控制策略，如有學者將分布式控制應用于微電網的經濟調度問題，提出了一種在約束條件下無初值的分布式資源優化配置方法。有學者提出了一種基于交替方向乘子法的分布式算法，用于解決智能電網的資源優化配置問題。
以上文獻中涉及的分布式控制原理對緩解調度中心面臨大量分布式BESS所帶來的運算和通信壓力，提供了重要的解決思路。
綜上所述，東南大學電氣工程學院的研究人員基于分布式控制原理，提出一種考慮分布式BESS參與的二次調頻控制策略。該策略首先通過引入調頻電源損耗函數，定量地表示傳統機組和BESS在二次調頻中產生的損耗，作為分配調頻責任的關鍵指標；然后建立每個調頻電源包括調頻功率備用、爬坡速率和SOC在內的調頻能力數學模型；最后，通過分布式控制原理尋找以區域電網調頻損耗最小為目標的調頻電源二次調頻出力分配方案，完成系統二次調頻控制。
圖1 BESS二次調頻控制方法
該策略具有以下優勢：①通過定義調頻電源損耗函數，可以區分不同種類、功率和容量的分布式BESS；②充分發揮BESS快速響應的優勢，減少其調頻容量受限的劣勢，通過維持其荷電狀態，保證運行的可持續性；③引入BESS充放電效率，使電池模型更符合實際運行工況；④分布式控制降低集中運算負擔的同時保證了控制精度和速度，并且減小了通信線路建設成本，增加控制系統的可靠性。
仿真結果表明，分布式控制可以將原本調度中心集中控制的運算負擔下發到每一個分布式控制單元，同時保證了運算精度和運算速度。同時，該控制策略充分考慮每個調頻電源特征，在滿足系統調頻需要的基礎上，發揮BESS爬坡速率快的優勢，保障其運行的可持續性。
以上研究成果發表在2019年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“基于分布式控制原理的電池儲能系統二次調頻控制”，作者為張圣祺、袁蓓、季振東、魏曉婧、趙劍鋒。
